Як створити лазерний промінь

Використовуючи потужність світла за допомогою лазерів, ви можете використовувати лазери для різних цілей і краще їх розуміти, вивчаючи базову фізику та хімію, що змушує їх працювати.

Як правило, лазер виробляється лазерним матеріалом, будь то твердий, рідинний або газовий, який видає випромінювання у вигляді світла. Як абревіатура від "посилення світла за рахунок стимульованого випромінювання", метод стимульованого випромінювання показує, як лазери відрізняються від інших джерел електромагнітного випромінювання. Знаючи, як виникають ці частоти світла, ви можете використовувати їх потенціал для різних цілей.

Лазери можна визначити як пристрій, який активує електрони для випромінювання електромагнітного випромінювання. Це лазерне визначення означає, що випромінювання може приймати будь-яку форму на електромагнітному спектрі, від радіохвиль до гамма-променів.

Як правило, світло лазерів рухається по вузькому шляху, але можливі і лазери з широким діапазоном випромінюваних хвиль. Завдяки цим уявленням про лазери ви можете сприймати їх як хвилі, як хвилі океану на березі моря.

Вчені описали лазери з точки зору їх когерентності, особливості, яка описує, чи відбувається різниця фаз між двома сигналами, і вони мають однакову частоту та форму хвилі. Якщо уявити собі лазери як хвилі з піками, долинами і западинами, різниця фаз буде такою, як багато в чому одна хвиля не цілком синхронізована з іншою, або наскільки далеко від неї будуть дві хвилі перекриття.

Частота світла - це скільки хвильових піків проходить через дану точку за секунду, а довжина хвилі - це вся довжина однієї хвилі від жолоба до жолоба або від піку до піку.

Фотони, окремі квантові частинки енергії, складають електромагнітне випромінювання лазера. Ці квантовані пакети означають, що світло лазера завжди має енергію, кратну енергії а одиночний фотон і що він надходить у цих квантових "пакетах". Саме це робить електромагнітні хвилі частиноподібний.

Багато типів пристроїв випромінюють лазери, наприклад, оптичні порожнини. Це камери, які відбивають світло від матеріалу, який випромінює електромагнітне випромінювання назад до себе. Зазвичай вони виготовляються з двох дзеркал, по одному на кожному кінці матеріалу, так що, коли вони відбивають світло, промені світла стають міцнішими. Ці посилені сигнали виходять через прозору лінзу на кінці порожнини лазера.

У присутності джерела енергії, наприклад зовнішньої батареї, що подає струм, матеріал, що випромінює електромагнітне випромінювання, випромінює світло лазера при різних енергетичних станах. Ці рівні енергії, або квантові рівні, залежать від самого вихідного матеріалу. Вищі енергетичні стани електронів у матеріалі, швидше за все, будуть нестабільними або в збуджених станах, і лазер випромінює їх через своє світло.

На відміну від інших вогнів, таких як світло від ліхтарика, лазери періодично віддають світло самим собою. Це означає, що гребінь і жолоб кожної хвилі лазера вирівнюються з хвилями, що надходять до і після, роблячи їх світло когерентним.

Лазери сконструйовані таким чином, що вони видають світло певних частот електромагнітного спектра. У багатьох випадках це світло має форму вузьких дискретних пучків, які лазери випромінюють з точними частотами, але деякі лазери видають широкі, безперервні діапазони світла.

Однією з особливостей лазера, що живиться від зовнішнього джерела енергії, яка може виникнути, є інверсія популяції. Це форма стимульованого випромінювання, і вона виникає, коли кількість частинок в збудженому стані перевищує кількість частинок в енергетичному стані нижчого рівня.

Коли лазер досягає інверсії популяції, величина цього стимульованого випромінювання, яке може створити світло, буде більшою, ніж кількість поглинання від дзеркал. Це створює оптичний підсилювач, і якщо ви поміщаєте його в резонансну оптичну порожнину, ви створили лазерний генератор.

Ці методи збудження та випромінювання електронів складають основу для того, щоб лазери були джерелом енергії, що є лазерним принципом, що зустрічається у багатьох сферах використання. Квантовані рівні, які можуть зайняти електрони, варіюються від низькоенергетичних, яким не потрібно виділяти багато енергії, і до частинок високої енергії, які залишаються близько до ядра. Коли електрон вивільняється внаслідок зіткнення атомів між собою в правильній орієнтації та на рівні енергії, це спонтанне випромінювання.

Коли відбувається спонтанне випромінювання, фотон, випромінюваний атомом, має випадкову фазу та напрямок. Це пояснюється тим, що Принцип невизначеності заважає вченим з ідеальною точністю знати як положення, так і імпульс частинки. Чим більше ви знаєте про положення частинки, тим менше ви знаєте про її імпульс, і навпаки.

Ви можете розрахувати енергію цих викидів за допомогою рівняння Планка

для енергіїЕв джоулях, частотаνелектрона в с^-1 і константа Планкаh​ = ​6.63 × 10^-34 м² кг / с.Енергію, яку має фотон при випромінюванні від атома, також можна обчислити як зміну енергії. Щоб знайти пов'язану з цією зміною енергії частоту, обчислітьνвикористовуючи енергетичні значення цього викиду.

З огляду на широкий спектр використання лазерів, лазери можна класифікувати за призначенням, типом світла або навіть матеріалами самих лазерів. При розробці способу їх класифікації потрібно врахувати всі ці розміри лазерів. Один із способів їх групування - це довжина світлової хвилі, яку вони використовують.

Довжина хвилі електромагнітного випромінювання лазера визначає частоту та силу енергії, яку вони використовують. Більша довжина хвилі корелює з меншою кількістю енергії та меншою частотою. На відміну від цього, більша частота променя світла означає, що він має більше енергії.

Ви також можете групувати лазери за характером лазерного матеріалу. Твердотільні лазери використовують тверду матрицю атомів, таких як неодим, що використовується в кристалічному ітрієвому алюмінієвому гранаті, який містить іони неодиму для цих типів лазерів. Газові лазери використовують суміш газів у трубці, як гелій та неон, які створюють червоний колір. Лазери для барвників створюються органічними барвниками в рідких розчинах або суспензіях

Лазери на барвниках використовують лазерне середовище, яке зазвичай є складним органічним барвником у рідкому розчині або суспензії. Напівпровідникові лазери використовують два шари напівпровідникового матеріалу, які можна вбудувати у більші масиви. Напівпровідники - це матеріали, які проводять електрику, використовуючи силу між силою ізолятора та провідником які використовують невелику кількість домішок або хімічних речовин, внесених через введені хімічні речовини або зміни в температури.

Незважаючи на різне використання, усі лазери використовують ці два компоненти джерела світла у вигляді твердої речовини, рідини або газу, що віддає електрони і щось стимулює це джерело. Це може бути інший лазер або мимовільне випромінювання самого лазерного матеріалу.

Деякі лазери використовують насосні системи, методи збільшення енергії частинок в лазерному середовищі, що дозволяють їм досягти збуджених станів, щоб зробити інверсію популяції. У оптичній накачці, яка передає енергію до лазерного матеріалу, може використовуватися газова спалахувальна лампа. У випадках, коли енергія лазерного матеріалу покладається на зіткнення атомів всередині матеріалу, система називається зіткненням.

Компоненти лазерного променя також відрізняються тим, скільки часу їм потрібно для доставки енергії. Лазери безперервної хвилі використовують стабільну середню потужність променя. У системах із більшою потужністю можна регулювати потужність, але при газових лазерах меншої потужності, таких як гелій-неонові лазери, рівень потужності фіксується на основі вмісту газу.

Гелій-неоновий лазер був першою системою безперервної хвилі, і, як відомо, він видавав червоне світло. Історично склалося так, що вони використовували радіочастотні сигнали для збудження свого матеріалу, але в наш час вони використовують невеликий розряд постійного струму між електродами в трубці лазера.

Коли електрони в гелії збуджуються, вони віддають енергію атомам неону через зіткнення, які створюють інверсію популяції серед атомів неону. Гелій-неоновий лазер також може стабільно функціонувати на високих частотах. Він використовується для вирівнювання трубопроводів, зйомки та рентгенівського випромінювання.

Три благородних гази, аргон, криптон і ксенон, показали використання в лазерних додатках на десятках лазерних частот, що переходять від ультрафіолету до інфрачервоного. Ви також можете змішувати ці три гази між собою для отримання певних частот і викидів. Ці гази в їх іонних формах дозволяють їх електронам збуджуватися, стикаючись один з одним, поки вони не досягнуть інверсії популяції.

Багато конструкцій таких типів лазерів дозволяють вибрати певну довжину хвилі для випромінювання порожнини для досягнення бажаних частот. Маніпулюючи парою дзеркал у порожнині, можна також виділити особливі частоти світла. Три гази, аргон, криптон і ксенон, дозволяють вибирати з багатьох комбінацій частот світла.

Ці лазери виробляють високо стабільні результати та не генерують багато тепла. Ці лазери демонструють ті самі хімічні та фізичні принципи, що використовуються у маяках, а також у яскравих електричних лампах, таких як стробоскопи.

Вуглекислотні лазери - найбільш ефективні та ефективні з лазерів безперервної хвилі. Вони функціонують за допомогою електричного струму в плазмовій трубці, що має газ вуглекислий газ. Електронні зіткнення збуджують ці молекули газу, які потім віддають енергію. Ви також можете додати азот, гелій, ксенон, вуглекислий газ та воду для отримання різних лазерних частот.

Переглядаючи типи лазерів, які можуть використовуватися на різних арах, ви можете визначити, які з них можуть створювати велику кількість енергії тому що вони мають високий коефіцієнт корисної дії, такий що вони використовують значну частину енергії, яку їм дають, не дозволяючи багато витрачати відходи. Хоча гелієво-неонові лазери мають коефіцієнт корисної дії менше, ніж 0,1%, коефіцієнт корисної дії для вуглекислих лазерів становить приблизно 30 відсотків, що в 300 разів більше, ніж у гелій-неонових лазерів. Незважаючи на це, вуглекислотні лазери потребують спеціального покриття, на відміну від гелієво-неонових, для відображення або передачі відповідних частот.

Ексимерні лазери використовують ультрафіолетове (УФ) світло, яке при першому винаході в 1975 році намагалося створити сфокусований пучок лазерів для точності в мікрохірургії та промисловій мікролітографії. Їх назва походить від терміна "збуджений димер", в якому димер є продуктом газових комбінацій, які є електричними збуджується конфігурацією енергетичного рівня, яка створює специфічні частоти світла в УФ-діапазоні електромагнітних спектру.

Ці лазери використовують реактивні гази, такі як хлор і фтор, поряд із кількостями благородних газів аргону, криптону та ксенону. Лікарі та дослідники все ще вивчають їх використання в хірургічних додатках, враховуючи, наскільки потужними та ефективними вони можуть бути використані для лазерних хірургічних операцій на очах. Ексимерні лазери не генерують тепло в рогівці, але їх енергія може розривати міжмолекулярні зв’язки тканини рогівки в процесі, який називається "фотоаблативним розкладанням", не завдаючи зайвої шкоди око.